泥漿不落地技術(shù)在DY-4井中的應(yīng)用

陳根龍， 秦如雷， 陳曉君， 于彥江， 朱芝同

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760)

0 引言

鉆井施工中，泥漿起到穩(wěn)定井壁、攜屑排渣、潤滑降溫和平衡地層壓力等作用。

近年來，隨著鉆井難度不斷增加，鉆井的工藝和技術(shù)也在不斷進(jìn)步，泥漿的成分也在變得越來越復(fù)雜，使得泥漿固液分離難度也在不斷的增加。傳統(tǒng)的固控系統(tǒng)能起到剝離有害固相的固液分離作用，這些固體廢渣和鉆井施工中產(chǎn)生的廢泥漿要排放到地上開挖的廢渣池中，稍有不慎(若遇強(qiáng)降雨)則可能對周圍農(nóng)田、環(huán)境造成嚴(yán)重污染。針對此種情況，2015年1月1日實(shí)施的《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》對石油工程的施工環(huán)境治理提出了新要求：一些特殊地區(qū)，鉆井過程中不可挖循環(huán)池，全井實(shí)現(xiàn)廢棄泥漿及鉆屑現(xiàn)場不落地，并要求處理后的固相可以就地堆放、填埋、或就地鋪墊井場等，處理后的廢水可達(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)。為響應(yīng)環(huán)保要求，泥漿不落地系統(tǒng)必不可少，可保證去除泥漿有害固相、固相廢棄物隨鉆治理及泥漿的回收。

DY-4井為中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所在黃河三角洲地區(qū)施工的一口試驗(yàn)井。試驗(yàn)初期，現(xiàn)場按照以往經(jīng)驗(yàn)建好了一套開式循環(huán)系統(tǒng)，包括泥漿循環(huán)池與廢渣池。試驗(yàn)一段時(shí)間后，為使泥漿循環(huán)流程達(dá)到環(huán)保要求，擬定了一套適合DY-4井的技術(shù)方案。改造后，DY-4井的泥漿不落地系統(tǒng)為一套閉式循環(huán)系統(tǒng)，滿足環(huán)保要求。其改造思路與改造方案對其他泥漿不落地系統(tǒng)有一定的借鑒作用。

1 DY-4井基本情況

1.1 場地簡介

DY-4井施工井場位于山東省東營市刁口鄉(xiāng)附近。該地區(qū)屬黃河三角洲沖積海積平原區(qū)灘涂，工勘報(bào)告顯示，表層為第四系全新世松散沉積物，厚度300～500 m，地層巖性主要為粉土、粘土、粉砂等。設(shè)計(jì)水平井鉆遇地層均為第四系覆蓋層。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備簡介

鉆機(jī)采用中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研制的SDC-2500型水井鉆機(jī)，名義鉆井深度為2500 m。QF-1300型泥漿泵，額定功率956 kW。發(fā)電機(jī)組：玉柴300 kW、濰柴200 kW。Z25-160型固控設(shè)備1套，部分參數(shù)如表1所示。

表1 固控系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of the solid control system

2 DY-4井初期采用的泥漿循環(huán)方案及特點(diǎn)

2.1 泥漿循環(huán)方案

由于地礦鉆探領(lǐng)域設(shè)備較落后，單井施工預(yù)算較低，導(dǎo)致成本控制嚴(yán)格，加之行業(yè)規(guī)范對于鉆井環(huán)保要求不多，較少涉及泥漿不落地的概念。本井施工時(shí)，采用了中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所自主研發(fā)的SDC2500型全液壓車載鉆機(jī)，該鉆機(jī)井口下端面距離地面高度1.1 m，井口較低，專為水井等無需安裝井控設(shè)備的工程設(shè)計(jì)。

該鉆機(jī)井口返出泥漿通常走地面明挖的導(dǎo)流槽，流入地面開挖的11 m×3 m×1.5 m的沉淀池進(jìn)行初級凈化，之后通過舉升泵泵入固控系統(tǒng)，固控系統(tǒng)分離出的固相排放至泥漿池，潔凈的泥漿進(jìn)入泥漿罐，之后通過泥漿泵泵入井內(nèi)。該流程示意圖見圖1，沉淀池與泥漿池如圖2所示。

圖1初始泥漿循環(huán)方案
Fig.1Initial mud circulation scheme

圖2 沉淀池與泥漿池Fig.2 Mud pit and settlement tank

2.2 方案特點(diǎn)

該方案特征主要為：(1)泥漿流動的導(dǎo)流槽和沉淀池均為在地上開挖；(2)明挖導(dǎo)流槽和沉淀池使用防滲布做環(huán)保隔離；(3)固控設(shè)備分離的固相直接排至地面；(4)在沉渣池內(nèi)和地面產(chǎn)生的廢液廢渣清理困難。

該方案大大節(jié)約了泥漿循環(huán)流程的成本，應(yīng)用效果也滿足試驗(yàn)。但是該方案的弊端也很明顯，由于導(dǎo)流槽和沉淀池均為地面開挖，泥漿排量突變時(shí)很容易溢出導(dǎo)致地面污染；防滲布使用壽命有限，隨著時(shí)間的延長其隔離效果會變差，導(dǎo)致泥漿滲入土層。泥漿固控設(shè)備所分離出的固相物質(zhì)的含水量約為50%，內(nèi)部含有一定的化學(xué)制劑，還不足以達(dá)到直接排放的標(biāo)準(zhǔn)。由于泥漿及廢渣集中在地上開挖的廢渣池中，運(yùn)輸至處理廠的過程十分復(fù)雜。廢液可使用商砼車外運(yùn)，廢渣土需使用挖掘機(jī)裝進(jìn)槽車外運(yùn)。由于廢渣有很強(qiáng)的流塑性，需要拌和20%干土才能膠結(jié)不外溢，造成廢棄物處理方量較實(shí)際產(chǎn)生的廢渣方量大幅增加，成本劇增。而且廢渣裝卸車時(shí)間長，處理效率低。

為了調(diào)整本泥漿循環(huán)方案使其符合環(huán)保要求和成本控制，對目前主流的泥漿不落地系統(tǒng)進(jìn)行了深入調(diào)研。

3 主流泥漿不落地系統(tǒng)方案

泥漿不落地系統(tǒng)基本原理是：通過稀釋-絮凝-分離3個(gè)步驟，將廢棄泥漿變成巖屑、泥餅和水3部分，巖屑通過水洗、絮凝分離和化學(xué)反應(yīng)處理，可作為鋪路材料回收利用；泥漿中的有害物質(zhì)成分和氯離子被析入水中后，再用真空吸附或壓濾方式脫水制成泥餅[16]；將水中含有的大量有機(jī)無機(jī)雜質(zhì)，通過預(yù)處理-反滲透膜處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

泥漿不落地系統(tǒng)一般采用橇裝可拆式泥漿罐替代廢液、廢渣池，按照鉆井過程中液相及固相的落地點(diǎn)，采取相應(yīng)的技術(shù)手段，做到點(diǎn)對點(diǎn)式的收集、儲存，實(shí)現(xiàn)液相和固相的不落地，譬如離心機(jī)、振動篩配有專用的廢渣罐來收集。對收集的廢棄泥漿，依據(jù)其水基泥漿或油基泥漿的性質(zhì)，分別以不同的辦法來處理，或壓濾或破膠甩干。實(shí)現(xiàn)泥漿、巖屑等的不落地處理，實(shí)現(xiàn)隨鉆收集、外運(yùn)廢棄泥漿的目的。

3.1 泥漿不落地系統(tǒng)一般處理流程

整套處理流程由3個(gè)單元組成，即泥漿凈化單元、泥漿破膠單元與泥漿壓濾單元。

3.1.1 泥漿凈化單元

(1)泥漿凈化單元是由泥漿罐、高壓沖洗振動篩、高速離心機(jī)、攪拌器、螺旋輸送器與輸送泵組成。

(2)泥漿罐比現(xiàn)場使用的固控設(shè)備低，在原泥漿固控設(shè)備(振動篩、除砂器、離心機(jī))排砂處下面安裝2臺螺旋輸送器，即一臺接振動篩的巖屑，另一臺接除砂器、離心機(jī)的巖屑。

(3)高壓沖洗振動篩篩框上帶高壓沖洗裝置，利用多級泵把清水供給高壓沖洗振動篩，振動篩工作中使巖屑中的液相與固相分離，排除無污染固相顆粒。接振動篩的螺旋輸送器將分離出的固相輸送至廢渣罐。

(4)振動篩處理完的泥漿進(jìn)入到泥漿罐，離心機(jī)供液泵把泥漿輸送至高速離心機(jī)，高速離心機(jī)分離后的液相回注井口，固相送至造磚廠加固化劑制磚。

3.1.2 泥漿破膠單元

在泥漿中加入一定量的絮凝劑和破膠劑，利用攪拌器攪拌，達(dá)到破膠絮凝沉淀。

3.1.3 泥漿壓濾單元

破膠后的泥漿進(jìn)入泥漿壓濾單元，經(jīng)隔膜式壓濾機(jī)處理后，得到含水量很低的泥餅和較為清澈的濾液。濾液經(jīng)深層處理后，可達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。泥漿不落地系統(tǒng)一般處理流程見圖3。

圖3 泥漿不落地系統(tǒng)一般處理流程Fig.3 General treatment process chart of the mud non-landing system

3.2 泥漿不落地系統(tǒng)處理流程總結(jié)

其主要流程是先進(jìn)行廢棄物的收集，其次進(jìn)行破膠或破乳處理，再次進(jìn)行固液分離(壓濾或甩干)，最后外運(yùn)含水率很低的干燥固相。保證整個(gè)處理過程中，泥漿都在可控的儲液罐、儲渣罐中，不會泄露到地表或地下，避免污染環(huán)境。

4 DY-4井泥漿不落地改造方案

根據(jù)泥漿不落地系統(tǒng)的組成，分析現(xiàn)有設(shè)備改造的可行性。現(xiàn)有設(shè)備基本滿足不落地系統(tǒng)需要的三級固控需求，但孔口返漿至固控區(qū)目前采用的導(dǎo)流槽和沉淀池不能滿足不落地需求。

經(jīng)初步分析，在現(xiàn)有鉆機(jī)和預(yù)算條件下，要想實(shí)現(xiàn)泥漿不落地，增加壓濾機(jī)、破膠單元等設(shè)備可能性較低。為最低成本的實(shí)現(xiàn)泥漿不落地，滿足環(huán)保要求，需增加硬管、泥漿罐、螺旋輸送器等低價(jià)值設(shè)備，增加設(shè)備清單見表2。新增的泥漿罐中，一個(gè)用作中繼罐，一個(gè)用作沉渣攪拌罐。

表2 增加設(shè)備清單Table 2 List of additional equipment

改造方案如下：

(1)舍去廢渣池，改用沉渣攪拌罐，產(chǎn)生的廢渣隨鉆清理，不再大量存儲。

(2)由于井位的變動，泥漿靠自流無法順利進(jìn)入泥漿池中，這樣就舍去沉淀池的中轉(zhuǎn)沉淀功能，改為只盛清水。

(3)井口旁沉入泥漿罐作為中繼罐，泥漿可從井口流入中繼罐，將其作為泥漿中轉(zhuǎn)池。中繼罐中裝有渣漿泵，通過鋼管將泥漿打入固控設(shè)備的振動篩中。

(4)增加2個(gè)螺旋輸送器，用于盛接振動篩、離心機(jī)、除泥除砂器的廢棄物(見圖4)。

圖4 螺旋輸送機(jī)Fig.4 Screw conveyor

(5)螺旋輸送器的排出口方向，沉入一個(gè)40 m3沉渣攪拌罐，用于臨時(shí)存儲廢棄物(見圖5)。

圖5 攪拌罐Fig.5 Mixing tank

(6)儲渣罐上裝有3臺攪拌電機(jī)，按照10∶1比例加入水，將固態(tài)廢棄物攪拌成廢渣溶液，密度約為1.6 g/cm3。按此比例，30 t廢液中的廢渣含量為27 t，添加水產(chǎn)生的環(huán)保處理費(fèi)用增加量占比很小。

(7)由于攪拌葉輪的攪拌范圍有限，不能完整覆蓋整個(gè)儲渣罐，會導(dǎo)致儲渣罐的四角產(chǎn)生巖屑堆積。在儲渣罐接收廢棄物的對側(cè)裝一個(gè)22 kW的砂泵，一側(cè)為泵的吸入口，排出口設(shè)在儲渣罐的接收廢棄物的開口側(cè)，這樣建立起一個(gè)局部微循環(huán)，保證廢棄物一直具有流動性，不會沉淀。

改造后的泥漿不落地處理流程如圖6所示。

圖6 改造后的泥漿不落地處理流程Fig.6 Treatment process chart of the mud non-landing system

如此改造，現(xiàn)場不存在固態(tài)的廢渣堆積，減少了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，降低了使用挖掘機(jī)、槽車運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用，僅用桿泵將液態(tài)廢棄物抽到商砼車中去，送往處理廠即可進(jìn)行后續(xù)處理。

目前使用該方案，每日外運(yùn)泥漿120 m3，耗時(shí)僅20 min，可保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。由于舍去了泥漿池和沉淀池，整個(gè)泥漿循環(huán)、凈化、回收過程未發(fā)生泥漿外滲，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

5 結(jié)語

本文通過對泥漿不落地系統(tǒng)的原理剖析與流程分解，總結(jié)了不落地系統(tǒng)的處理流程。依照不落地系統(tǒng)處理廢棄物的思路，結(jié)合DY-4井現(xiàn)場實(shí)際情況，制定了一套泥漿不落地處理方案，并完成了方案的實(shí)施。經(jīng)過實(shí)踐證明，該方案可大量減少泥漿處理后期費(fèi)用，適用于現(xiàn)有固控系統(tǒng)的改造。